ZigBee

ZigBee tarkoittaa IEEE 802.15.4-standardin mukaista lyhyen kantaman, vähävirtaista tietoliikenneverkkoa, WPAN:ia. Standardi määrittelee verkon OSI-mallin fyysisen sekä siirtoyhteyskerroksen. ZigBee-standardin tarkoituksena on määritellä OSI-mallin verkkoyhteys- sekä kuljetuskerrokset. OSI-mallin ylemmät kerrokset jätetään kolmannen osapuolen sovelluksien tehtäväksi.

ZigBee-allianssi

ZigBee-allianssi on yhteisö, joka vastaa ZigBee-standardin kehittämisestä. Allianssiin kuuluu monia suuria yrityksiä kuten Intel, HP ja Philips. Vuonna 2010 allianssin jäsenmäärä oli 400. Allianssin tekemän ensimmäisen standardin määritys valmistui vuonna 2004. Standardi on ollut vuodesta 2013 lähtien avoin vain jäsenille ja ei kaupallisiin tarkoituksiin. Allianssin jäsenmaksu on 3500 Yhdysvaltain dollaria, joka oikeuttaa standardin käyttämiseen kaupallisiin tarkoituksiin. ZigBee-tunnuksen käyttäminen edellyttää laitemallin testauttamista ZigBee-yhteensopivaksi.

Historia

• ZigBee-tyylisiä verkkoja alettiin suunnitella jo vuonna 1998, kun useat insinöörit arvioivat sekä Wi-Fin ja Bluetoothin olevan sopimattomia muutamiin tiettyihin käyttötarkoituksiin, muun muassa itsejärjestäytyviin digitaaliradioverkkoihin.
• IEEE 802.15.4-standardi valmistui toukokuussa 2003.
• Tärkeä mesh-verkkojen tukija Philips Semiconductors lopetti osallisuutensa ZigBeen kehityksessä 2003 kesällä. Philips Lighting on sittemmin jatkanut Philipsin osallistumista, ja Philips on näin edelleen tukijajäsenenä ZigBee Allianssin lautakunnassa.
• 2004 lokakuussa ZigBee Allianssi ilmoitti jäsenmääränsä tuplaantuneen edellisestä vuodesta ja kasvaneen yli sataan jäseneen 22:ssa maassa.
• ZigBeen spesifikaatio ratifioitiin 14. joulukuuta 2004.
• Huhtikuussa 2005 Allianssin jäsenmäärä oli yli 150 yhtiötä.
• 13. kesäkuuta 2005 ZigBee Allianssi julkisti ZigBee spesifikaatio 1.0:n olevan vapaasti saatavilla (ei-kaupalliseen käyttöön).
• Syyskuussa 2006 ZigBee Allianssi julkisti parannetun ZigBee spesifikaation nimeltään ZigBee 2006.

Zigbee-nimen alkuperä

Termi Zigbee tulee alun perin mehiläisistä. Mehiläiset elävät yhdyskunnassa, jossa jäsenien välinen kommunikointi on elintärkeä yhdyskunnan säilymiselle. Tekniikoita, joita mehiläiset käyttävät informoidessaan uusista ruokapaikoista yhdyskunnan jäsenille, kutsutaan nimellä Zigbee. Kommunikointitekniikkana se on äänetön ja tehokas, ja mehiläiset voivat sillä viestiä tietoa keskenään ruokapaikan etäisyydestä, olinpaikasta ja suunnasta.

Tekniikka

ZigBee-nimellä tunnettu pienitehoinen, lyhyen kantaman radioliikenteen standardi kuuluu WPAN-standardiperheeseen (IEEE 802.15). Se valmistui syyskuussa 2003. Tarkoituksena on pienten ja yksinkertaisten laitteiden verkottaminen langattomasti.

Verkot voivat sisältää jopa 65 536 laitetta. ZigBee-laite kytkeytyy nopeasti verkkoon. Verkkoon liittyminen kestää alle 30 ms, sleep-tilasta herääminen alle 15 ms ja lähetyksen aloittaminen alle 15 ms. Tämä on selvä eroavaisuus muun muassa Bluetoothiin nähden, jonka keskimääräinen kytkeytymisaika on pitkä ja takaamaton ja viive näin ollen pidempi.

Tekniikalla toteutettujen laitteiden välinen pisin mahdollinen kantomatka on noin 100 metriä.

Taajuudet ja siirtonopeudet

• 868 MHz, 1 kanava, 20 kb/s Euroopassa
• 915 MHz, 10 kanavaa 2 MHz välein, 40 kb/s Yhdysvalloissa
• 2,4 GHz, 16 kanavaa 5 MHz välein, 250 kb/s maailmanlaajuisesti

Saantimenetelmä on CDMA/CA eli kuunnellaan siirtotietä ja lähetetään vain siirtotien ollessa vapaana. Kanavointimenetelmänä käytetään DSSS:ää.

Käyttötarkoitus

ZigBee-tekniikan suurin mahdollinen käyttökohde voisi olla automaatio. Erityisesti kodeissa mm. valaistus, lämmitys ja ilmastointi voitaisiin automatisoida siten, että kustannuksissa säästettäisiin. Myös teollisuudessa tekniikkaa voidaan hyödyntää erilaisissa mittauskohteissa. Lääketieteeseen tekniikkaa voidaan hyödyntää vähäisen virrankulutuksen ansiosta, jolloin laitteet sopisivat ihonalaiseen asennukseen. ZigBeen ideana ei ole haastaa esimerkiksi Bluetoothia, vaan tarkoituksena on laitteiden äärimmäisen vähäinen virrankulutus, jolloin pariston kesto on jopa useita vuosia. Avainasemassa on myös toteutusten edullisuus ja yksinkertaisuus. Käytännössä ZigBee-tekniikan toteutus kotona voisi olla vaikkapa television automaattinen äänenvoimakkuuden alentaminen puhelimen soidessa.

Verkon osat ja verkkotopologiat

IEEE 802.15.4-standardi määrittelee kaksi laitetyyppiä: FFD- (full function device) sekä RFD (Reduced Function Device) -laite. FFD on laite, joka täyttää kaikki standardin vaatimat ominaisuudet ja näin ollen voi toimia PAN-koordinaattorina, koordinaattorina tai tavallisena laitteena. PAN-koordinaattorina oleminen tarkoittaa sitä, että laite on vastuussa verkon muodostamisesta ja tunnuksen antamisesta verkolle. RFD on nimensä mukaisesti ominaisuuksilta karsittu ja laitteena hyvin yksinkertainen. RFD-laitteen on aina kommunikoitava FFD-laitteen kanssa, ei koskaan toisen RFD-laitteen kanssa.

Standardi määrittelee myös kaksi erilaista verkkotopologiaa, tähtimäisen- ja peer-to-peer–topologian. Tähtimäisessä topologiassa FFD-laite muodostaa verkon ja toimii PAN-koordinaattorina. Muut laitteet kommunikoivat tämän välityksellä. Peer-to-peer–topologiassa laitteet voivat kommunikoida keskenään, mutta tässäkin topologiassa on PAN-koordinaattori. Se kuuluttaa verkon olemassaolosta muille laitteille. Peer-to-peer–verkon etuna on se, että verkko voi olla huomattavasti monimutkaisempi kuin tähtimäisen topologian verkko.

Tämän lisäksi standardi käsittää kolme tietoliikennetyyppiä:

• Jaksoittaisen tiedon kanssa ohjelma määrittää tiedon siirtymisen ja vastaanotin aktivoituu, katsoo tiedon ja kytkeytyy lopuksi takaisin pois päältä.
• Epäsäännöllisen tiedon kanssa ohjelma tai jokin heräte (esimerkiksi palohälyttimessä savu) määrittävät tiedon siirtymisen. Laitteen tarvitsee kytkeytyä verkkoon vain kommunikoinnin ajaksi. Tämä tyyppi mahdollistaa optimaalisen virransäästön.
• Toistuvan tiedon kanssa tiedon siirtymiselle määritellään tahti. Laitteet toimivat vain määrättyjen aikavälien mukaan (GTS, eli Guaranteed Time Slots).

ZigBee:ssä on kolme erilaista laitetta: ZigBee coordinator (ZC), ZigBee Router (ZR) ja ZigBee End Device (ZED). ZC toimii samalla lailla kuin FFD eli on vastuussa verkon muodostamisesta sekä verkon tietojen säilyttämisestä. ZC-laitteita on yksi jokaista Zigbee-verkkoa kohden. ZR-laite puolestaan huolehtii datan reitittämisestä muille laitteille. ZED-laite taas on samantyylinen, yksinkertainen laite kuin RFD-laite. ZED vaatii myös vähemmän muistia kuin ZC tai ZR.

ZigBee-laitteet liikennöivät beacon- tai non-beacon-tilassa. Beacon-tilassa laite odottaa verkon koordinaattorilta herätepakettia, joka laukaisee datan lähetyksen. Herätepaketissa määritellään myös seuraavan paketin saapuminen ja laite voi mennä sleep-tilaan odotusajaksi. Non-beacon-tilassa laite saa ulkopuolisen herätteen, esimerkiksi savu palohälyttimissä, joka laukaisee datan lähetyksen koordinaattorille. Tässä tilassa koordinaattori ei voi olla sleep-tilassa.

Tietoturva

Standardi määrittelee kolme eri tietoturvatasoa. Taso 1 ei tarjoa minkäänlaista tietoturvaa, taso 2 luottaa pääsylistoihin (ACL) ja taso 3 käyttää symmetristä salausta siirrettävän tiedon salaamiseen (algoritmina AES). Tietoturvaa voidaan myös parantaa sovellustasolla. Tietoturvan monitasoisuus johtuu siitä, että halutaan mahdollistaa monia erilaisia toteutuksia.

Tulevaisuus

Tähän asti laitteiden toimitus ja myyntivolyymi on ollut pientä. ZigBeen etuna on se, että se on jo ajoissa standardoitu ja yhteensopiva eri valmistajien laitteiden kanssa. Muutamia ongelmiakin on, muun muassa erilaisista verkkotopologioista aiheutuvat viive ja virrankulutus vaihtelevat ja lisäksi myös tietoturva tuo oman haasteensa. Tekniikan kehittyessä ja suosion kasvaessa keksitään varmasti myös useampia käyttökohteita. Tällä hetkellä toteutukset ovat enemmissä määrin suunnitteluasteella.

Katso myös

• Bluetooth
• Wibree
• WUSB

Lähteet

• ZigBee Alliance -verkkosivut
• Tietokone-lehden artikkeli 1/2005^{[vanhentunut linkki]}
• Tietokone-lehden artikkeli 10/2003^{[vanhentunut linkki]}
• Tutorial-Reports.comin ZigBee esittely
• Syncore Technologies AB, Sweden

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta ZigBee Wikimedia Commonsissa